《電子技術(shù)應(yīng)用》
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無(wú)線自組網(wǎng)語(yǔ)音通信終端設(shè)計(jì)
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第9期
王國(guó)富，鄭善友
桂林電子科技大學(xué) 廣西無(wú)線寬帶通信與信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林541004
摘要： 針對(duì)目前國(guó)內(nèi)礦井下語(yǔ)音通信不夠靈活或者通信系統(tǒng)成本過高的情況，設(shè)計(jì)了一種低功耗、低成本、使用靈活高效的手持式語(yǔ)音通信終端。通過采用ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)靈活搭建通信網(wǎng)絡(luò)，多跳延伸通信距離，并且針對(duì)ZigBee由于傳輸速率低的而不能很好傳輸語(yǔ)音的問題，本設(shè)計(jì)使用IMA-ADPCM算法進(jìn)行語(yǔ)音壓縮以保證高通話質(zhì)量的前提下適應(yīng)ZigBee的低傳輸速率特性。經(jīng)試驗(yàn)證明，本語(yǔ)音通信終端功耗可低至0.63 W，在井下點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信距離可達(dá)到28.76 m，語(yǔ)音信號(hào)傳輸平均誤碼率僅為1.95%。
中圖分類號(hào)： TP393
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)09-0021-03
Design of wireless Ad-hoc networking voice communication terminal
Wang Guofu，Zheng Shanyou
Key Laboratory Cognitive Radio and Information Processing of the Ministry of Education， Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China
Abstract： A hand-held voice communication terminal which is of low power consumption, low cost, flexibility and efficiency in use is designed. Aming at the problem，ZigBee Ad-hoc networking technology is adopted to achieve the purpose of building up communication network flexibly, and extending the communication distance by multihop. Moreover, considering the problem that voice can not be well transferred due to ZigBee′s low transmission speed, IMA-ADPCM algorithm is utilized to compress voice, which may adapt to ZigBee′s low transmission speed under the premise of ensuring high-quality voice communication. Experiments prove that the power consumption of this voice communication terminal can be as low as 0.63 W, the underground point-to-point communication distance can reach 28.76 m, and that the average bit error rate of the voice signal transmission is only 1.95%.
Key words : ZigBee technology；Ad Hoc network；signal processing；voice communication

    目前，國(guó)內(nèi)的井下語(yǔ)音通信大多采用溝通效率較低的有線防爆電話或者成本高昂的井下3G通信[1]。由于在井下有線通信系統(tǒng)安裝復(fù)雜，而且通話裝置(如防爆話機(jī))通常位置固定，從而造成了井下作業(yè)溝通效率的低下。國(guó)內(nèi)中小型礦井眾多，井下3G無(wú)線通信系統(tǒng)成本過高，很多企業(yè)無(wú)法承擔(dān)架設(shè)費(fèi)用。因此，對(duì)搭建靈活且功耗和成本低廉的語(yǔ)音通信裝置的需求尤為迫切。

    本文使用新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的ZigBee技術(shù)[2]以及具有高壓縮比和高還原音質(zhì)的語(yǔ)音壓縮算法IMA-ADPCM，解決了以往井下語(yǔ)音通信設(shè)備成本昂貴、使用不靈活、通信效率低的問題。經(jīng)驗(yàn)證，本語(yǔ)音通信終端井下實(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)穩(wěn)定通信距離為28.76 m，語(yǔ)音信號(hào)傳輸誤碼率為1.95%，額定功耗為0.63 W。
1 系統(tǒng)方案和模塊原理
1.1 語(yǔ)音終端設(shè)計(jì)原理
    本文設(shè)計(jì)的語(yǔ)音終端系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。其工作原理是：聲音信號(hào)由麥克風(fēng)輸入，由語(yǔ)音采集模塊將之轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；CPLD被設(shè)計(jì)成語(yǔ)音壓縮和解壓縮模塊，負(fù)責(zé)對(duì)語(yǔ)音數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮或者解壓縮處理。STM32W108是高性能的IEEE 802.15.4無(wú)線片上系統(tǒng)(SoC)，集成2.4 GHz IEEE 802.15.4兼容的收發(fā)器以及基于ZigBee系統(tǒng)的外設(shè)，是本系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的交互和ZigBee應(yīng)用程序管理[3]。數(shù)據(jù)由STM32W108的ZigBee外設(shè)發(fā)出，再經(jīng)過2.4 GHz射頻放大模塊進(jìn)行功率放大，最后輻射到信道中。這樣做目的是增加信號(hào)強(qiáng)度和提高有效通信距離。當(dāng)接收語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，語(yǔ)音數(shù)據(jù)經(jīng)過CPLD進(jìn)行解壓縮后，經(jīng)由語(yǔ)音播放模塊輸出音頻信號(hào)。

1.2 語(yǔ)音壓縮及解壓縮模塊的設(shè)計(jì)
    由于ZigBee為低速率(<250 kb/s)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如果語(yǔ)音不經(jīng)過壓縮處理，則無(wú)法很好地適用于該技術(shù)。本設(shè)計(jì)采用IMA-ADPCM，即自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制算法，該算法壓縮比為4:1，符合低空間消耗、高質(zhì)量、高效率的要求[4]。為了降低核心MCU的負(fù)擔(dān)，語(yǔ)音編解碼的任務(wù)由CPLD承擔(dān)。


    基于CPLD的語(yǔ)音編解碼模塊的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。該模塊由時(shí)鐘模塊、編碼器和解碼器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及中央控制單元構(gòu)成?？刂茊卧?fù)責(zé)與STM32W108進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)交互。進(jìn)行語(yǔ)音編碼時(shí)，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)ADPCM碼數(shù)據(jù)，解碼時(shí)則暫存PCM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)由控制元傳輸至STM32W108進(jìn)行進(jìn)一步處理。

1.3 語(yǔ)音編解碼算法性能評(píng)估
    為模擬真實(shí)通話環(huán)境，將普通語(yǔ)音錄入PC，然后處理成采樣率為44.1 kHz、碼寬為16 bit、格式為wav的音頻文件。將wav文件導(dǎo)入Matlab中進(jìn)行IMA-ADPCM進(jìn)行編解碼處理，將原始語(yǔ)音信號(hào)和解碼還原后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行比對(duì)和誤碼率計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。根據(jù)波形比對(duì)和人耳辨識(shí)，語(yǔ)音還原質(zhì)量較高。經(jīng)計(jì)算，本設(shè)計(jì)的語(yǔ)音編解碼器的平均誤碼率僅為1.95%。

2 組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分析和軟件方案設(shè)計(jì)
2.1 組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分析
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型主要有3種。第1種是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coord)，其功能是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，建立網(wǎng)絡(luò)，管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，備份網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息，搜尋一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的路徑[5]。而本設(shè)計(jì)中語(yǔ)音終端則被設(shè)計(jì)成第2或第3種設(shè)備，即全功能設(shè)備(FFD)或者精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。FFD包含由標(biāo)準(zhǔn)指定的所有IEEE802.15.4功能和特性，在空閑時(shí)充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)路由器，也能作為終端設(shè)備使用。由于礦井下通信的節(jié)點(diǎn)位置隨機(jī)性高，為了保證其可靠性和穩(wěn)定性，優(yōu)先考慮將語(yǔ)音終端設(shè)計(jì)為FFD類型設(shè)備。為降低成本和復(fù)雜性，RFD只包含有限的功能，在網(wǎng)絡(luò)中只能用作終端設(shè)備，RFD由于省掉了內(nèi)存和其他電路，所以降低了ZigBee部件的成本。當(dāng)然，在礦井下工作位置相對(duì)固定的情況下，邊緣位置節(jié)點(diǎn)亦可以采用RFD類型的設(shè)備以達(dá)到節(jié)約成本的目的。
    本設(shè)計(jì)采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋蜑榫W(wǎng)狀網(wǎng)，通用情況下所有節(jié)點(diǎn)類型的組網(wǎng)如圖5所示。其中節(jié)點(diǎn)4為FFD類型設(shè)備，節(jié)點(diǎn)7為RFD類型設(shè)備。當(dāng)節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)7加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可能產(chǎn)生可用的新路徑如圖中虛線所示。此時(shí)，假定節(jié)點(diǎn)8向節(jié)點(diǎn)2發(fā)起通信，則路由器算法根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由表項(xiàng)信息搜索新的最佳路徑，路徑8、7、6、5、2(方向從左到右)已經(jīng)過時(shí)，最優(yōu)新路徑8、7、4、2(方向從左到右)將被采用。

 

 

    如果設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，則主動(dòng)進(jìn)行該區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)組建流程，直至自組網(wǎng)建立成功方可對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)協(xié)調(diào)器檢測(cè)到新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)入節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)處理。協(xié)調(diào)器還具備數(shù)據(jù)上傳功能，即可以上傳語(yǔ)音數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)信息到指定地面上的PC。
    如果設(shè)備是FFD類型設(shè)備，則該設(shè)備可以充當(dāng)路由器使用，初始化路由并發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。路由初始化成功后，F(xiàn)FD終端即可中繼數(shù)據(jù)或者充當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收語(yǔ)音數(shù)據(jù)以及進(jìn)行播放處理。最后一個(gè)分支是識(shí)別RFD設(shè)備，此時(shí)RFD設(shè)備成功入網(wǎng)后只可作為網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)，只具備語(yǔ)音收發(fā)播放功能而不可充當(dāng)路由器使用。

    本文針對(duì)常規(guī)井下語(yǔ)音通信效率低或者系統(tǒng)搭建成本過高的缺陷，提出使用先進(jìn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行語(yǔ)音通信的方案。針對(duì)ZigBee技術(shù)由于傳輸率低而無(wú)法適應(yīng)語(yǔ)音即時(shí)傳輸?shù)膯栴}，提出了使用高壓縮比的IMA-ADPCM語(yǔ)音壓縮算法對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后傳輸，既保證了語(yǔ)音信號(hào)質(zhì)量也達(dá)到了低速率傳輸語(yǔ)音的目的。實(shí)驗(yàn)表明，本設(shè)計(jì)具備網(wǎng)絡(luò)自能特性，額定功耗為0.63 W，符合低功耗應(yīng)用場(chǎng)合，在礦井下通信中具有廣闊的應(yīng)用前景。
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